Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02316934 2000-08-25
1
COMPOSANT ELECTRO-OPTIQUE MULTI-SECTIONS
La présente invention se rapporte à un composant
électro-optique en semi-conducteur comprenant au moins
deux sections optiquement actives ayant chacune un
guide d'onde enterré dans une couche de gaine.
Pour ce type de composant électro-optique multi-
sections, il est important d'avoir une isolation
électrique élevée entre chaque section afin d'éviter
des interactions entre celles-ci au cours du
lo fonctionnement du composant. L'invention se rapporte
plus particulièrement à tout composant électro-optique,
comprenant au moins un élément récepteur intégré avec
un autre élément.
L'objectif de la présente invention est de
permettre un fonctionnement simultané des structures
optiquement actives sans aucune interaction entre
l'émetteur et le récepteur et/ou entre les différents
récepteurs détectant des signaux à différentes
longueurs d'onde.
2o La figure 1 représente un schéma en coupe
longitudinale d'un composant émetteur-récepteur en
ligne classique, noté 1D-TRD ("In-line Transmitter
Receiver Device" en littérature anglo-saxonnej, obtenu
par intégration monolithique d'un laser 20 et d'un
détecteur 30 sur un même substrat 10. Le laser 20 émet
un signal vers une fibre optique par exemple, tandis
que le détecteur 30 reçoit un signal en provenance de
cette même fibre optique. La longueur d'onde d'émission
du laser 20 est inférieure à la longueur d'onde de
réception du détecteur 30. Par exemple, la longueur
d'onde d'émission est égale à 1,3 um tandis que la
longueur d'onde de réception est égale à 1,55 um. Dans
CA 02316934 2000-08-25
2
ce cas, étant donné que la longueur d'onde d'émission
est inférieure à la longueur d'onde de réception, et
que le laser 20 est situé à proximité du détecteur 30,
le laser peut amener des perturbations optiques sur le
détecteur. En effet, le laser émet aussi, en direction
du détecteur, de la lumière à 1, 3 um qui vient éblouir
ce dernier.
Pour éviter cet éblouissement du détecteur, le
composant comporte une troisième section, disposée
entre le laser 20 et le détecteur 30, formant un
isolant optique 40. Cet isolant optique permet
d'absorber la lumière émise à 1,3 um en direction du
détecteur, de manière à ce que ce dernier puisse
détecter le signal optique à 1,55 um en provenance de
la fibre optique sans être perturbé par le laser.
Le substrat 10, ou couche inférieure, peut par
exemple être de l'InP dopé n. Les guides d'ondes,
respectivement 31 du détecteur 30 et 21 du laser 20 et
de l'isolant optique 40, sont gravés sous forme de
rubans et enterrés dans une couche de gaine 11
fortement dopée. Les guides d'onde sont dits de type
BRS ("Buried Ridge Structure" en littérature anglo-
saxonne). Le matériau de gaine 11 est dopé p+ lorsque
le substrat est dopé n. Bien sûr, ce type de ruban
n'est qu'un exemple. D'autres types de rubans peuvent
convenir. Les dopages n et p des différentes couches
peuvent en outre être inversés.
La composition et les dimensions des guides d' onde
importent peu. Dans l'exemple de la figure 1, le guide
d'onde 31 du détecteur 30 est par exemple réalisé en
matériau ternaire, alors que le guide d'onde 21 du
laser 20 et de l'isolant optique 40 est réalisé dans
une structure à puits quantiques.
CA 02316934 2000-08-25
3
D'autre part, des électrodes métalliques 22, 32, 42
et 14 sont formées sur les différentes sections et sur
le dessous du composant, de manière à permettre son
fonctionnement.
Une couche absorbante 12 dopée par le même type de
porteurs que la couche de gaine 11 se situe entre la
couche conductrice 11 et les électrodes métalliques 22,
32, 42 de manière à permettre un bon contact électrique
et afin de recueillir les porteurs qui permettent de
l0 détecter le signal sur l'électrode 32 du détecteur 30.
Cette couche absorbante 12 peut être constituée en
matériau ternaire par exemple.
Du fait de la présence de couches conductrices 11,
le composant comporte en outre des zones d'isolation
électrique 50, ou zones de résistivité, entre les
différentes sections 20, 30, 40 afin d'éviter toute
perturbation électrique d'une section vis à vis d'une
autre lors du fonctionnement du composant.
Ce type d'émetteur-récepteur en ligne, comportant
une partie centrale 40 permettant d'absorber tout le
flux de lumière émis à 1,3 um vers le détecteur,
fonctionne très bien pour toute la lumière qui est
guidée dans les rubans de guides d'onde 21.
Cependant, la totalité de la lumière émise n'est
pas entièrement guidée. En effet, il existe aussi de la
lumière spontanée qui est émise dans tout le volume du
composant. De plus, une partie de la lumière stimulée
peut aussi être diffractée dans le composant du fait de
la présence de défauts dans le guide d'onde 21.
3o Les courbes de la figure 2 mettent en évidence les
pénalités constatées sur la sensibilité du détecteur,
en dB, pour différents modes de fonctionnement. La
courbe A représente une référence en réception lorsque
le laser est éteint, la courbe B représente une
CA 02316934 2000-08-25
4
référence en réception lorsque le laser est allumé en
continu et la courbe C représente le fonctionnement
simultané du laser et du détecteur. On constate une
pénalité de 4,5 dB entre la courbe B et la courbe C,
lorsque l'on module simultanément le laser et le
détecteur. Cette pénalité est en outre accrue par
l'augmentation de la puissance du laser.
Cette pénalité est principalement optique. Elle est
causée par la lumière non guidêe émise à l,3um, dans
toutes les directions, qui vient perturber le détecteur
à 1, 55um.
Cette perturbation optique est représentée très
schématiquement sur la figure 1 par l'onde 60.
L'électrode métallique 14, disposée à l'interface
substrat-air, peut jouer un rôle de réflecteur optique
dans le substrat 10. Une partie de la lumière spontanée
émise dans le volume du composant peut donc être
réfléchie par l'électrode 14 et revenir se coupler au
guide d'onde 31 du détecteur 30 par dessous. De méme,
une partie de la lumière parasite 60 peut également
être réfléchie sur les électrodes 42 et 32 car la
couche absorbante 12 n'absorbe pas toute cette lumière
parasite 60.
Bien sûr, la perturbation du détecteur 30 par la
lumière non guidée 60 est en réalité bien plus complexe
qu'une simple réflexion. En effet, une partie de la
lumière parasite peut en outre subir de multiples
réflexions dans la couche inférieure 10 et dans la
couche supérieure 11. Une autre partie de cette lumière
3o parasite peut également venir éblouir le détecteur en
incidence rasante par exemple.
Des techniques ont déjà été envisagées pour
combattre la pénalité de 4,5 dB constatée dans
l'exemple donné figure 2, qui se produit lors du
CA 02316934 2000-08-25
fonctionnement simultané du laser et du détecteur. Les
techniques envisagées sont essentiellement des
techniques électroniques.
Ces techniques consistent par exemple, à prélever
5 une partie du signal de modulation laser, puis à le
soustraire en réception. L'utilisation de ces
techniques de traitement électronique a démontré une
réduction de 2 dB de la pénalité. Cependant elles
nécessitent la mise au point, la fabrication et le
développement d'une électronique spécifique pour ce
type de composant émetteur-récepteur particulier, si
bien qu'elles augmentent considérablement le coût de ce
composant. Or, on recherche à fabriquer ce type de
composant à grande échelle et donc à réduire au maximum
son prix de revient. Par conséquent, ces techniques de
traitement électronique ne peuvent pas être mises en
oeuvre pour la fabrication en masse d'un tel composant.
De plus, un émetteur-récepteur en ligne est destiné
à étre installé chez des abonnés et il doit pouvoir
fonctionner entre environ 0 et 70 °C sans aucune
régulation en température. Or, la fiabilité de ces
techniques électroniques n'a pas été démontrée sur
cette gamme de températures et il n'est pas prouvé
qu'elles puissent s'ajuster automatiquement en fonction
de la température.
Un but de la présente invention consiste donc à
réaliser un composant électro-optique peu coflteux
comportant un détecteur et un élément parasite pour ce
détecteur, tel qu'un laser ou tout autre élément, la
longueur d'onde de fonctionnement de l'élément
parasitaire étant inférieure à la longueur d'onde de
réception du détecteur, et dans lequel la perturbation
de 4,5.dB du détecteur par l'élément parasite (selon
CA 02316934 2000-08-25
6
l' exemple de la figure 2 ) , qui se produit lors de leur
fonctionnement simultané, est considérablement réduite.
A cet effet, l'invention propose de réduire la
portion active du détecteur apte à détecter un signal,
alors que la lumière parasite illumine l'ensemble du
détecteur.
L'invention concerne plus particulièrement un
procédé de fabrication d'un composant électro-optique
en semi-conducteur comprenant au moins deux structures
optiquement actives dont au moins une est constituée
par un détecteur, caractérisé en ce qu'il comprend une
étape consistant à limiter la longueur de la portion
active du (des) détecteur (s) apte à détecter un signal à
une longueur d'onde donnée, la lumière parasite non
guidée véhiculée dans le composant étant répartie sur
l'ensemble du détecteur.
Selon un premier mode de réalisation, la limitation
de la portion active du(des) détecteurs) est réalisée
par implantation de protons sur la portion restante du
détecteur.
Selon un deuxième mode de réalisation, la
limitation de la portion active du(des) détecteurs)
est réalisée par localisation du contact du détecteur
sur cette portion.
Selon un troisième mode de réalisation, la
limitation de la portion active du(des) détecteurs)
est réalisée par gravure de la portion restante, et
croissance d'une couche passive sur cette dernière.
Selon un quatrième' mode de réalisation, le
détecteur est clivé de manière à le limiter à sa
portion active.
La présente invention concerne également le
composant obtenu par un tel procédé et plus
particulièrement un composant électro-optique en semi-
CA 02316934 2000-08-25
7
conducteur comprenant au moins deux structures
optiquement actives dont au moins une est constituée
par un détecteur, caractérisé en ce que le(s)
détecteurs) comprend(nent) une première portion active
apte à détecter un signal à une longueur d' onde donnée
et une deuxième portion inactive faiblement sensible au
signal à détecter et exposée à la lumière parasite non
guidée véhiculëe dans le composant.
Selon une première variante, la deuxième portion
du(des) détecteurs) est implantée de protons.
Selon une deuxième variante, le contact du
détecteur est localisé sur la première portion.
Selon une troisième variante, chaque portion
présente des couches d'épitaxie différentes, la couche
active de la deuxième portion ayant été retirée par
gravure et remplacée par une couche passive.
L'invention concerne également un composant
électro-optique en semi-conducteur comprenant au moins
deux structures optiquement actives dont au moins une
est constituée par un détecteur, caractérisé en ce que
le détecteur est clivé de manière à le limiter à la
longueur de la portion active apte à détecter un signal
à une longueur d'onde donnée.
Selon une caractéristique, la longueur d'onde de
réception du détecteur est supérieure à la (aux)
longueurs) d'onde de fonctionnement de la (des)
autres) structurels) parasite(s).
Selon une application, le composant selon
l'invention constitue un émetteur-récepteur en ligne.
Selon une autre application, le composant selon
l'invention constitue une barrette de récepteurs.
Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un
composant électro-optique multi-sections dans lequel la
CA 02316934 2000-08-25
8
perturbation du détecteur par les autres éléments est
considérablement diminuée.
En outre, les modes de réalisation décrits ne
nécessitent pas la mise au point de nouveaux procédés
de fabrication, et peuvent par conséquent être
facilement et rapidement mis en oeuvre.
De plus, la limitation de la partie active du
détecteur à sa partie avant limite le champ électrique
sur la facette arrière clivée du composant, ce qui a
lo pour conséquence directe de limiter les risques de
détérioration du composant dus aux défauts sur la
facette.
D'autres particularités et avantages de l'invention
apparaîtront à la lecture de la description donnée à
titre d'exemple illustratif et faite en référence aux
figures annexées dans lesquelles .
- la figure 1 déjà décrite, est un schéma d'un
émetteur-récepteur en ligne classique,
- la figure 2, déjà décrite, illustre des courbes
permettant de mettre en évidence les pénalités de
fonctionnement lors d'une modulation simultanée de
l'émetteur et du récepteur du composant de la figure 1,
- la figure 3, est un schéma d'un composant optique
selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4, est un schéma d'un composant optique
selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- les figures 5a à 5c, illustrent schématiquement
les étapes de réalisation d'un composant optique selon
un troisième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 6a est un schéma d'un composant optique
selon un quatrième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 6b représente une vue de dessus de la
figure 6a.
CA 02316934 2000-08-25
9
La figure 3 schématise un premier mode de
réalisation d'un composant selon l'invention. I1
schématise plus particulièrement un émetteur-récepteur
en ligne. Mais l'invention ne se limite pas seulement
aux émetteurs-récepteurs en ligne. Elle peut
s'appliquer à tout composant opto-électronique intégré
pour lequel il existe une diaphonie, c'est à dire à
tout composant comprenant un élément parasite et un
élément apte à détecter pour lequel les longueurs
l0 d'onde émises et reçues sont compatibles.
Par exemple, dans le cas d'une barrette de
détecteurs, la lumière parasite provient de la fibre
optique et est véhiculée dans tout le composant.
Dans l'exemple illustré, on considère un émetteur
récepteur. Les mêmes références sont utilisées pour
désigner les mémes éléments que dans l'émetteur
récepteur classique schématisé sur la figure 1. Le
laser 20 émet à une longueur d'onde inférieure à la
longueur d'onde de réception du détecteur 30. La
longueur d'onde d'émission est par exemple égale à 1,3
Dun alors que la longueur d'onde de réception est égale
à 1, 55 um.
La lumière spontanée émise par le laser 20 et non
guidée par le guide d'onde 21 est émise dans tout le
volume du composant . De plus, une partie de la lumière
stimulée est diffractée dans le composant du fait de la
présence de défauts dans le guide d'onde 21. Toutes ces
ondes lumineuses parasites émises à l,3um par le laser
20, dans toutes les directions, viennent perturber et
éblouir le détecteur 30 qui ne peut plus détecter
correctement la longueur d'onde à 1,55 um.
Ces perturbations sont schématisées simplement par
l'onde 60 sur la figure 3. Elles proviennent du dessus
CA 02316934 2000-08-25
et du dessous des guides d'onde 21, 31 du composant
émetteur-récepteur.
Ces perturbations entraînent une pénalité de 4,5 dB
(selon l'exemple cité figure 2) lors d'un
5 fonctionnement simultané du laser 30 et du détecteur
20.
Afin de minimiser l'impact de cette lumière
parasite non guidée, l'invention propose de réduire la
portion active 33 du détecteur 30.
10 En effet, il a été constaté que seuls les premiers
micromètres du détecteur 30 absorbent environ 90 ~ du
signal à détecter. Ainsi, par exemple, seul 30 um d'un
détecteur de 80 um de long suffisent à une bonne
détection d'un signal.
Or, la lumière parasite non guidée est répartie sur
l'ensemble du guide d'onde 31 du détecteur 30. Ainsi,
la portion arrière 34 du détecteur 30 peut recueillir
plus de lumière parasite 60 que de signal.
C'est pourquoi la portion active 33 apte à détecter
un signal est rëduite, la lumière parasite non guidée
étant répartie sur l'ensemble du détecteur 30.
Avantageusement, la longueur de la portion active
du détecteur est fixée de manière à ce que ladite
portion soit apte à détecter, par exemple, environ 90$
du signal.
La lumière parasite couplée au guide d'onde 31 dans
la portion active 33 est noyée dans le bruit du
détecteur 30, le signal étant suffisamment fort pour
être correctement détecté, alors que la lumière
3o parasite couplée au guide d'onde 31 dans la portion
restante 34 est plus intense que le signal qui a déjà
été presque complètement détectë. Ainsi, la portion
restante 34 du détecteur 30 détecte plus de lumière
CA 02316934 2000-08-25
11
parasite 60 que de signal et nuit à la qualité du
détecteur 30.
Plusieurs moyens sont envisageables pour limiter la
portion active 33 du détecteur 30.
Une première méthode est illustrée sur la figure 3
et consiste à implanter des protons dans la portion
arrière 34 du détecteur 30.
Cette implantation de protons H+, réalisée selon
des techniques classiques, a pour effet de rendre la
couche de gaine 11 de la portion arrière 34 isolante,
c'est à dire incapable de collecter les porteurs
jusqu'à la couche absorbante 12 pour être recueillis
sur l'électrode métallique 32.
L'implantation de protons H+ peut également
permettre de réduire la largeur de la portion active 33
pour des applications données.
Une deuxième méthode est illustrée sur la figure 4
et consiste à localiser la couche absorbante 12 et
l'électrode métallique 32 uniquement sur la portion
active 33 avant du détecteur 30.
A cet effet, la couche absorbante 12 et une partie
de la couche conductrice 11 sont gravé sur la portion
arrière 34 du détecteur 30. Ainsi, seul la portion
avant 33 est apte à recueillir les porteurs.
L'électrode métallique 32 sera alors réalisée
uniquement sur la portion active 33 du détecteur 30.
Une troisième méthode est illustrée sur les figures
5a à 5c et consiste à réaliser une gravure de la couche
active 31 du détecteur 30 de manière à obtenir un guide
d'onde actif 31 à l'avant 33 du détecteur 30 et une
zone passive 35 à l'arrière 34 du détecteur 30.
A titre d'exemple, les schémas des figures 5a à 5c
représentent des vues en coupe transversale dans le
CA 02316934 2000-08-25
12
sens de la longueur du composant optique selon
l'invention au cours des différentes étapes de cette
méthode de localisation par gravure.
Cette méthode peut consister, par exemple, dans un
premier temps, (figure 5a) à faire croître, sur un
substrat 10, une première couche de matériau
quaternaire 31 apte à jouer le rôle de guide d'onde
actif du détecteur 30.
Une gravure locale (figure 5b) du guide d' ondes 31
est ensuite pratiquée, selon un procédé de gravure
classique, afin de limiter le guide actif 31 à une zone
active 33. Une autre étape d'épitaxie permet alors de
faire croS.tre le guide d'ondes de l'autre élément 21,
ainsi qu'une zone passive 35 sur l'arrière 34 du
détecteur 30. La structure de la zone passive 35 est
différente de celle du guide actif 31.
Par exemple, la zone passive 35 peut être un guide
passif, ou ètre de mème nature que la couche de gaine
11, ou d'une tout autre composition.
Ces couches 21, 31 et 35 sont alors enterrées dans
une couche de gaine en InP 11, qui constitue la couche
conductrice précédemment décrit, et une couche
absorbante 12. Une électrode 32 est réalisée sur le
détecteur 30, sans être forcément limitée à la portion
active 33 car aucun porteur ne proviendra de la portion
arrière 34 du détecteur 30.
Une quatrième méthode est illustrée sur les figures
6a et 6b et consiste à cliver le détecteur 30 afin de
le limiter à la portion active 33.
La figure 6b est une vue de dessus du composant
optique de la figure 6a.
Le détecteur 30 étant clivé et réduit à la portion
active 33, cette dernière est trop étroite pour
recevoir une électrode métallique 32 dont les
CA 02316934 2000-08-25
13
dimensions sont conditionnées par la réalisation d'une
connexion filaire. Cette dernière est en effet
généralement réalisée par thermocompression d'un fil
d'or sur l'électrode métallique 32, cette soudure étant
difficilement réalisable sur une électrode de 30 Dun de
côté.
I1 est par conséquent nécessaire de réaliser un
report de métallisation pour l'électrode métallique 32,
c'est à dire de réaliser cette électrode 32 sur la
l0 section centrale 40 et d'établir le contact avec la
portion active 33 du détecteur 30 par un pont
conducteur 36.
